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1、山东凯文科技职业学院（论 文）题 目伺服电机控制器专 业电子信息工程技术学生姓名班级学号指导教师指导单位电子学院 日期：2012 年 3 月至2012 年 6月 目录目录第1章 绪论1.1 直流伺服电动机发展及现状第2章 直流伺服电动机的工作过程-2.1 直流伺服电动机基本组成-2 2.2 直流伺服电动机的工作原理- 3 -第3章 基于单片机的调速系统硬件设计3.1 供电电源设计- 5 -3.2 检测电路设计- 6-3.2.1位置检测3.2.2整形电路3.2.3 正反转控制3.2.4电流检测电路3.3 主功率和驱动电路- 11-3.3.1主功率电路3.3.2功率驱动电路3.4 过流过压保护电路
2、- 16 -3.4.2过压、欠压保护电路3.5 键盘与显示电路- 18 -3.5.1键盘电路-3.5.2显示电路第4章基于单片机的调速系统软件设计4.1 程序设计思想-21-4.2 主程序- 24-4.2.1 初始化程序4.2.2 键处理程序设计4.2.3 LED动态显示子程序4.3 捕捉中断服务程序- 27-4.4 采样中断服务程序- 29 -4.4.1转速计算子程序4.4.2 A/D转换子程序-4.4.3 波形发生控制程序基于80C196MC单片机直流伺服电机调速系统摘要本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机专用控制芯片80C196MC，辅以键盘、显示器、检测电
3、路、功率电路、驱动电路、保护电路等。直流伺服电机内置3个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电机的换相，系统根据该信号计算电机的转速，用于实现速度反馈控制。系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的快速MOSFET；功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片IR2130，可实现电机的高频快速起动；系统还设置了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可以实现电机的快速起动并获得良好的带负载性能，达到了设计任务书的要求。软件方面根据直流伺服电动机的组成、脉宽调制和工作原理，结合80C196MC的硬件部分和软件编程的特点，设计了无刷直流调速系统的软件。系统软件分为主程
4、序和中断程序两大主块，主程序完成系统的初始化， LED显示器扫描和键盘功能处理程序等部分。关键字：直流伺服电动机；16位单片机；位置传感器；闭环系统；MOSFET；功率驱动 第1章 绪论1.1 直流伺服电动机发展及现状传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范围。针对传统直流电动机的弊病，早在20世纪30年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在60年代实现了这一愿望。在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有
5、高剩磁密度，高矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的价格昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及12。进入90年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT、MCT等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为
6、一体的智能功率模块（正M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件之一逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、微型化方向发展3。第2章 直流伺服电动机的工作过程直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，其基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，拖
7、动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现直流伺服电动机的机电能量转换。2.1 直流伺服电动机基本组成直流伺服电动机的结构原理图如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。图2.1直流伺服电动机结构原理图2.2 直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。直流伺服电动机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生
8、恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。直流伺服电动机三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电1/3的时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路
9、，如图2.3所示。图2.3 三相全控桥两两导通电路在图2.2中，电动机的绕组为星形联结。、为六个功率器件，起绕组的开关和驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序。当功率管导通时，电流从管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经管回到电源。二相导通的星形三相六状态的导通顺序表如表2.1所示。 表2.1 两两导通的导通顺序表时间（电角度）（）0 导通顺序UVWVWUVBG1导通导通BG2导通导通BG3导通导通BG4导通BG5导通导通导通BG6导通导通第3章
10、基于单片机的调速系统硬件设计传统的直流伺服电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元件老化，特征参数受温度影响等，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生。数字控制系统一般以可编程微处理器为硬件核心，通过控制软件来实现系统的功能。3.1 供电电源设计供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。如图4.1所示图3.1供电电源电路供电电路中，使用两组变压器、使主电路和控制电路分开供电，提高电路的可靠性。其
11、中控制电路组经整流桥整流后，再用电容滤波，电容过滤高频；然后使用两块稳压块。稳压块的作用是将电压进行降压处理并稳定为某一固定的值后输出，如三端稳压块7805、7812可将小于的电压分别降成稳定的、。为了改善稳压器的瞬态响应须在输出端加接一只并联电容，其值约为。稳压块比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多，成本也不是很高，所以得到了广泛的应用。7812输出用于运算放大器、功率驱动器、高共模抑制比隔离运算放大器；另一块输出用于单片机、光电隔离器、或门、LED驱动、施密特触发器等。主电路组变压器输出经滤波电容后再经过平波电抗器，使输出的直流电流更平滑，也可以有效抑制电路中的瞬时过流。由于主电流
12、电流较大，不适合使用三端稳压块稳压。所以输出使用由齐纳稳压管和达林顿管构成的简单串联稳压电路，具有电路简单、输出电流大、稳压效果好，特别是体积小等特点17。达林顿管选用MAXIUM(美信)公司的2N6038，基，稳压管使用IN6009，最大耗散功率为，稳压值为，最大工作电流为。该电路稳压过程如下：1当输入电压不变，而负载电压变化时，其稳压过程如下： 2当负载不变，输入电压U增加时，其稳压过程如下：3当增加时，输出电压有升高趋势，由于三极管基极电位被稳压管固定，故的增加将使三极管发射结上正向偏置电压降低，基极电流减小，从而使三极管的集射极间的电阻增大，增加，于是，抵消了的增加，使基本保持不变。变
13、压器功率计算：功率驱动电路；供电电路；供电电路；电路损耗（约5W）总功率为 选45W双输出变压器，共有两路输出，一路为12V，另一路为24V。3.2 检测电路设计3.2.1位置检测样机的永磁转子结构如图4.2 (a)所示。由于电机绕组为三相四极，电机内部的霍尔元件数和永磁块数均为三个，三个传感元件在空间上互差机械角度分布，且每个传感元件与其对应的相绕组轴线之间的机械夹角为，它们通过固定件固定在电机机座上，为了以后讨论方便，将三个传感元件分别编号为、。位置传感器整体安装图见图4.2(b)。图3.2（a）无刷电机转子结构图 图3.2（b）霍尔传感器安装正视图当电机转轴逆时针移动时，遮挡盘的齿部进入
14、霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”(高电平);当齿部离开时，磁力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”(低电平)。这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可以准确地确定转子的磁极位置。例如，齿部准备进入时，则、的输出为001，随电机旋转，齿部进入，则、的输出为101，再转动，、的输出变为100，如此反复，位置编码如下所示：、的波形如图4.3所示。图3.3传感器位置信号波形从图3.3可以看出：1、的输出波形为三个脉宽为电角度的矩形波；2在空间(机械角度)范围内，都有一个状态编码与转子位置对应；3每一个编码都持续机械角度，即电角度。
15、3.2.2整形电路光电位置传感器电路输出的位置信号波形其实并不规整，需加入施密特整形电路。施密特整形电路如图4.4所示。图3.4施密特整形电路霍尔位置传感器输出信号、，经高速光电隔离器6N136隔离后，再经过施密特触发器整形。光隔的输入或输出一般须串电阻，防止光隔内部电流过大而老化，一般选用。74HC14是施密特输入反相器芯片，输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平，使输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿。为了使输入的信号同相，使用两级反相器，使整形作用更好，而且不改变输入信号的相位。整形后的信号、分两路送入单片机。一路用于测速，另一路用于确定相顺序。3.2.3 正反转控
16、制表4.1 检测信号与逆变桥的控制关系表捕获单元状态正向电动正向制动反向电动反向制动101Q6Q1Q3Q4Q3Q4Q6Q1001Q1Q2Q4Q5Q4Q5Q1Q2011Q2Q3Q5Q6Q5Q6Q2Q3010Q3Q4Q6Q1Q6Q1Q3Q4110Q4Q5Q1Q2Q1Q2Q4Q5100Q5Q6Q2Q3Q2Q3Q5Q6000禁止111禁止只要改变开关管的通电顺序就可以实现直流伺服电动机的正反转控制。检测信号与逆变桥的控制关系如表4.1所示。通过表中的导通关系，在软件中设置一个列表，进行正反转控制时，只要查询该表调用相应的控制字即可实现正反转控制。3.2.4电流检测电路在该电机转速控制系统中，为了得到较
17、好的动态性能，以及对主电路电流进行监控，需要对主电路电流信号进行采样反馈。相电流检测环节的目的是对主电路电流信号进行检测。采样电流信号一般情况下有两种方式：采样电阻和电流传感器。采样电阻可以直接将主电路电流信号转化为电压信号送给控制电路，简单、方便、而且频响好、输出电压直接正比于主电路流过的电流1617。因此在本设计方案中采用一个旁路采样电阻来检测系统的相电流，电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂和地之间，阻值根据实际选。为了对功率控制电路电流进行采样，又与主控电路隔离，可选用安捷伦公司生产的线性光藕HCPL7800，该芯片的电流采样典型应用电路如图4.5所示。图3.5 HCPL的电流采
18、样放大典型应用电路控制系统实时检测主功率电路的母线电流，即相电流，利用采样电阻和运放将小电流信号转换为在之间变化的模拟电压信号，再通过HCPL7800高精度隔离放大器实现单片机控制器的ADC模块与采样电路之间的隔离，最后将其输入单片机控制器的A/D转换单元，变换为数字的电流信号。本系统利用功率驱动采样电阻上的电压信号经过放大处理以后，送到单片机某一路A/D转换通道，经A/D转换以后，所得到的结果即可用于电流调节器和系统的过流保护装置。电流检测电路如图4.6所示。图3. 6电流检测电路3.3 主功率和驱动电路3.3.1主功率电路经过前面的探讨，系统采用脉宽调制法来控制电机的端电压。构成直流斩波器
19、的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、场效应管(MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT )等。电力晶体管的优点是饱和压降低、载流密度大，但是驱动电流较大。电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高，但是电力MOSFET的电流容量小、耐压低、导通压降大，适用于小功率电力电子装置。由于功率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种单极型电压控制器件，具有开关速度快、
20、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用17。因此本控制系统使用功率MOSFET作为功率开关器件。功率开关器件的选取非常关键，如果选择的功率管容量、耐压过大，则将大幅增加控制系统的成本;如果功率管的耐压及电流容量偏小，则在工作过程中经常无端出现管子烧毁的现象。纯硬件原理样机的主功率及其驱动电路根据系统总体设计方案采用DC-AC三相桥式逆变电路，主功率电路如图4.7所示。因为电机，所以主功率开关器件采用IR公司生产的快速MOSFET管IRF121，参数如表4.1所示。型号额定电压（V）额定
21、电流（A）最高耐温()内阻（导通）（）电容（pF）最大电流（A）最大功率（W）IRF12160850.360032400表3.2 IRF121 参数表图3.7主功率电路续流二极管 选用快速恢复二极管 ，额定电流为，额定电压为，恢复时间为。对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流电路）和阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。RC吸收回路的R值越大，线圈两端的电压越高，要考虑线圈的绝缘水平是否工作在安全区；R的值越小，线圈（内电阻）要承担部分的磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁就较慢（因为回路电流在断开电源时的大小是
22、一样的），当然，电容器的取值也致关重要，电容器能否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中R的损耗）作用，不会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离R在线圈工作时的损耗。电阻和电容参数计算如下： （4.1） 直流电流值。由电机电流为，可以计算 （4.2）选用电容。电阻的选择：选用电阻。电阻功率选择： （4.3），为晶闸管或MOSFET频率。U为电压的有效值。则选用的电阻。3.3.2功率驱动电路根据系统总体设计方案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出MOS门极驱动芯片IR2130作为六只开关功率管的驱动，IR2130的内部结构图如图4.8所示。
23、图3.8 IR2130内部结构图IR2130的工作原理正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且IR2130的工作电压源不欠压，以及脉冲处理电路和电平移位器PGLS输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时，则从封锁逻辑CLEAR故障逻辑处理单元FAULT及欠电压检测器LVD和UVDR来的封锁信号均无效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压侧功率MOS管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。而另外三路高压侧驱动信号、先经集成于IR2130内部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS中的自举电路进行电
24、位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠压与否检验后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才被加到驱动的功率MOS器件的栅源极。IR2130的典型应用电路一旦外电路发生过电流或直通，即电流检测单元送出的信号高于时，则IR2130内部的比较器迅速翻转，促使故障逻辑输出单元FAULT 输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器ISG的输出，使IR2130的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOS器件的栅源极迅速反偏而全部截止，保护功率管；另一方面，经IR2130的8脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若发生IR2130的工作源欠电压，则欠压检测
25、器UVD迅速翻转，同以上分析一样，可得到被驱动功率器件全部截止而可得到可靠保护，并从FAULT脚得到故障信号的结果。IR2130的典型应用电路如图4.9所示：图3.9 IR2130的典型应用电路IR2130可用来驱动工作在母电压不高于的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为，而反向峰值驱动电流为。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽()，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通
26、过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容1314。功率驱动电路如图4.9所示。图3.9 IR2130与单片机和MOSFET的接口驱动图3.3.8 中，；。注：未标明功率电阻为普通0.25W电阻。为电流采样电阻，根据电机参数，内阻，可选功率电阻。当电机正常工作时，上压降非常小，不会导致母线电压利用率降低，在正/反转快速变化时，转速反接制动过程中将产生较大的瞬时电流，从而在上产生较大的压降。TRIP为欠压、过流输入关闭信号，通过变阻器可调节系统过流临界值的大小，可选
27、普通的可调电阻，当该电压大于IR2130内部设定的保护值时，它会自动使IR2130输出信号全部为低电平。大电流过后，系统自动解除封锁，从而实现弹性保护。是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，其容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于时，该电容值应不小于，且以瓷片电容为好。本设计选用独石电容。、的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此应有足够的反向耐压，当然由于、与、串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，、应选快速恢复二极管，按电
28、机，可选IN4148开关二极管，耐压为。和是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧。IR2130的、作为功率管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障16。3.4 过流过压保护电路3.4.1过流保护电路在永磁直流伺服电动机调速系统中，电机起动时，主回路会流过很大的起动电流，此外因控制回路、驱动回路等误动作、误配线等，会造成支路短路、输出短路等故障，过电流流过功率变换器开关元件MOSFET，发生短路时，电流变化非常快，元件要承受高电压、大电流，这就要快速检测过电流，在MOSFET还没有损坏时自行关断。
29、过流保护环节分为两级保护。第一级过流检测与保护山驱动电路完成，采用集成驱动电路芯片IR2130，可实现对MOSFET的电流保护，其原理图参见本章4.3.2小节图4.3.7。过流检测按驱动信号与集电极电压之间的关系实现，当流过MOSFET的电流超过内部设定值时，驱动电路关断MOSFET，同时送出过流信号，使光隔器件导通，输出低电平过流保护信号。第一级过流检测与保护通过快速响应霍尔电流传感器对直流侧母线电流进行检测，由支路短路、直接支路短路、输出短路和接地短路等引起的过电流必能检测出来，电路原理如图4.10所示。图3.10 过流检测电路在主电路上串联一个采样电阻，为了减小对电路的影响，应选择阻值较
30、小的。通过将采样电阻的两端电压与设定的电压进行比较来确定主电路电流是否过流，过流信号送至单片机的不可屏蔽中断引脚，封锁开关的驱动信号，实现电路的保护。3.4.2过压、欠压保护电路过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通常系统输入电源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对MOSFET的安全构成威胁，很可能超过MOSFET的最大耐一压而将其击穿，造成永久损坏。当输入电压过低时，虽小会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能是控制回路工作不正
31、常，而使系统紊乱，导致控制器输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧毁MOSFET，而且较低的输入电压也使系统的抗干扰能力下降。因此，有必要对系统的电压进行保护。图3.11 过电压检测电路图4.11为本文介绍的直流伺服电动机系统的过压保护电路，参考电压设为额定电压的110通过电阻对直流电源进行分压采样，与参考电压进行比较，一旦发生过压，则将故障信号送至单片机的不可屏蔽中断引脚，封锁功率开关的驱动信号9。增设一个同图4.4.2的检测电路，利用同相输入，把基准电压设为额定电压的90，即可实现欠压保护。3.5 键盘与显示电路3.5.1键盘电路图3.12 键盘接口电路键盘用于启动、停止、正反转切换和
32、转速输入。为了能更方便地利用数字键输入转速，设置了行列键盘，占用和P口。如图4.12所示采用行列键盘可以在获得多键盘的同时节省I/O口，但占用大量的CPU资源，对控制系统不利。本设计采用改进扫描算法，即先扫描全行或全列，没有电平改变（没有键按下）时返回主程序，当检测到有键按下时，再进入进一步的扫描和按键判断，可在一定程序上减轻CPU负担。各按键功能定义如表4.2所示：表3.3 键盘功能定义表按键S1S2S3S4功能启动电机停止电机输入转速输入确认按键S5S6S7S16功能正反转切换保留数字0数字93.5.2显示电路为了能实时显示转速，需设置显示电路。使用液晶显示模块显然是没有必要的。使用多个数
33、码管显示又占用单片机太多I/O口，使用多位一体的数码管是很好的解决方案。如图4.13所示。图3.13 四位一体的共阳LED显示器图3.13中，管脚AF和DP各段的公共引出端；S1S4分别是第一位的共阳极输入端；对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计的要求，由于4位LED的各段已经连在一起，所以必须使用动态扫描方式。LED的驱动器的选择由于单片机P3口可以吸收较大的电流，所以把LED的段接在P3口，可以不加驱动电路。LED位驱动比较常用的芯片ULN2003A和ULN2803。ULN2003A是具有7个达林顿电路的集成芯片，ULN2803是8具有个达林顿电路的集成芯片。此种芯片集电极
34、可以吸收最大的电流，耐压为，能驱动常规的显示器。但在我们的系统中，只要驱动4位LED，所以可以单独选用一个三极管驱动一个显示器位，三极管选用NPN型9015，它的驱动电流最大为，可以使每个LED有足够的亮度。键盘接口电路如图4.14所示。如果驱动三极管损坏使三极管的基极和发射极直接导通而同时单片机又写入低电平，则有可能因为电流过大而烧坏单片机的I/O口。因此，通常在驱动口串电阻，阻值约为几十到几百欧，本设计选用。3.14 显示接口电路第四章 基于单片机的调速系统软件设计无刷直流电机控制系统要想成功的完成其控制功能，硬件部分的设计与软件部分的设计都是不可或缺的。本章根据无位置传感器的无刷直流电机
35、的控制系统的硬件设计方案，完成相应的软件部分的设计。4.1 程序设计思想从设计要求出发，本次设计主要完成以下工作：（1）检测键盘，从键盘接收电机起停、正反转、控制速度命令，控制电机运转，向显示器传送电机的实时转速。若采用手动控制，检测控制板的电机起停、正反转、速度控制命令，控制电机运转。（2）完成传感器信号检测，并对检测的传感器信号进行译码，产生驱动功率全桥电路的信号逻辑，使电机运转。根据获得的电机转速的设定值以及从传感器信号测得的电机的实时转速，用PID算法计算出电机的转速控制量，从而调节电机的转速，使电机的转速跟随转速的设定值。（3）根据转速控制量和电机的实时转速，计算SPWM算法的三角载
36、波周期以及当前的第k个SPWM脉冲的占空比，从而产生SPWM信号调节电机的转速。（4）对电机的故障(过电流，低电压)进行检测，从而保护电机的运行。为了便于程序的编写和调试，系统软件采用模块化设计。系统软件包括了主程序模块、中断服务程序模块及子程序模块。4.2 主程序系统的主程序主要作用是组织系统的整个流程，监控系统的运行。在这部分程序中它是通过控制人机交流来控制和显示系统的运行状态。具体说来就是操作人员可通过监控程序建成的人机间的桥梁-键盘，来对单片机发出控制命令，使微机完全按人的命令工作。微机也通过这个程序来向操作人员显示参数的标志，以便操作人员的了解运行的状态。系统主程序主要完成初始化、键
37、盘查询及参数设置键功能处理、电机的起动和停止控制、速度的显示等功能。主程序流程图如下：图4.1 主程序流程图4.2.1 初始化程序初始化程序主要完成单片机一些寄存器的初始化。开始先禁止所有的中断，设置中断屏蔽寄存器，允许CPU响应COMPI中断，对A/D转换进行初始化，选定A/D转换通道以及A/D采样、转换的时间，并设定由EPA事件的发生来启动A/D转换，脉宽调制模块PWM脉冲输出的初始化。设置好中断周期。初始化流程图如下所示。图4.2初始化子程序以下是系统初始程序代码：CSEG AT 2080NMAIN_START: DI；设置中断LD SP, #0200H；设置堆栈，设置中断屏蔽寄存器LD
38、B INT_MASK,#04H ；允许CAPCOMP0中断LDB INT_MASK,#60H ；允许PI和EXTINT中断LDB WSR，#3EH ；映射64字节窗口至1F80H1FBFHLDB PI_MASK_W0,#10H ；设置外设中断屏蔽寄存器对WG初始化LD INT_MASK,#04H ；设置PWM载波周期LD FMIN,#MIN_PREQ ；置变频器最低频率LD FMAX,#MAX_FREQ ；置变频器最高频率LD STEP,CLOCK_I ；置初始变频器频率（调置频率）LD STEP+2,CLOCK_I+2 ；CLOCK_I/FMINMULUB FCOMMAND,FMIN,#6
39、；初始节拍时间STEP=CLOCK_I/(6*FMIN)DIVN STEP,FCOMMAND ；置初始AMP值MULU BAMP_PTR,FMIN,#8MULU AMPLITUDE,TC,AMPAMP_PTRLD AMPLITUDE,AMPLITUDE+2CLRB PHASE ；清除节拍计数器LDB WSR,#3FH ；映射64字节窗口至1FC0H1FFFHLD WG_RELOAD_W0,TC ；置PWM载波周期EILDB INT_PEND1,#20H ；把下一个值置给WG_COMPLD WG_OUT_W0,#0106H ；按节拍5设置波形发生器的输出LD WG_OUT_W0,#2106H ；
40、设置同步位LDB WG_PROTECT_W0,#05H ；允许WG输出，上升沿触发中断LD WG_CON_W0,3400H ；方式3，无信号时间为0，启动计数器LDB INT_PEND1,#20H ；把下一个值置给WG_COMPXLDB WSR,#3DH ；映射64字节窗口至1F40H1F7HLDB T1CONTROL_W0,#0C1H ；允许T1，向上计数，内部时钟，预分频系数为2LDB CAPCOMPO_CON_W0,#44H ；比较方式，允许外设功能ADD CAPCOMPO_TIME_W0,TIMER1,STEP ；设置中断周期以下是各部分子程序的设计。4.2.2 键处理程序设计 判断键
41、盘中有无键按下：将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。流程如图5.3所示。196MC单片机的P0、P1口用作键盘I/O口，键盘的列线接到P1口的P1.0P1.3，键盘的行线接到P0口P0.4P0.7。4根行线和4根列线形成16个相交点。（1）检测当前是否有键被按下。检测的方法是P1.0P1.3输出全“0”，读取P0.4P0.7的状态，若P1.0P1.3为全“1”，则无键闭合，否则有键闭合。 （2）去除键抖动。当检测到有键按下后，延时一段时间再做下一步的
42、检测判断。（3）若有键被按下，应识别出是哪一个键闭合。方法是对键盘的行线进行扫描。P1.0P1.3按下述依次输出4种组合： P1.0 11111110 P1.1 11111101P1.2 1 1111011P1.2 1 1110111图4.3 按键扫描流程（4）在每组行输出时读取时P0.4P0.7，若全为“1”，则表示为“0”这一行没有键闭合，否则有键闭合。由此得到闭合键的行值和列值，然后可采用计算法将闭合键的行值和列值转换成所定义的键值。（5）为了保证键每闭合一次CPU仅作一次处理，必须去除键释放时的抖动。流程图如图5.4所示图4.4 键盘扫描程序流程图各按键功能定义如表4.1所示：表5.1 键盘功能定义表按键S1S2S3S4功能启动电机停止电机输入转速输入确定按键S5S6S7S16功能正反转切换保留数字0数字94.2.3 LED动态显示子程序
